工程热力学第一章基本概念.ppt

第一章基本概念,BasicConcepts,1-1热力系统,热力系统(热力系、系统)：人为分隔出来的研究对象,1、系统的定义,Thermodynamicsystem,system,Aquantityofmatteroraregioninspacechosenforstudy,1-1热力系统,外界：系统以外的所有物质,2、系统、外界与边界,边界(界面)：系统与外界的分界面,系统与外界的作用都通过边界,surroundings,boundary,边界特性,真实、虚构,固定、活动,fixed、movable,real、,imaginary,热力系统分类,以系统与外界关系划分：,有无是否传质开口系闭口系,是否传热非绝热系绝热系,是否传功非绝功系绝功系,是否传热、功、质非孤立系孤立系,1开口系,1-1热力系统,非孤立系相关外界孤立系,1+2闭口系,1+2+3绝热闭口系,1+2+3+4孤立系,热力系统其它分类方式,其它分类方式,物理化学性质,均匀系非均匀系,工质种类,多元系,单元系,相态,多相,单相,1-2状态和状态参数,状态：某一瞬间热力系所呈现的宏观状况,状态参数：描述热力系状态的物理量,状态参数的特征：,1、状态确定，则状态参数也确定，反之亦然,2、状态参数的积分特征：状态参数的变化量与路径无关，只与初终态有关,3、状态参数的微分特征：全微分,Stateandstateproperties,状态参数的积分特征,状态参数变化量与路径无关，只与初终态有关。,数学上：,点函数、态函数,1,2,a,b,例：温度变化,山高度变化,pointfunction,状态参数的微分特征,设z=z(x,y),dz是全微分,充要条件：,可判断是否是状态参数,Totaldifferentials,强度参数与广延参数,强度参数：与物质的量无关的参数如压力p、温度T,广延参数：与物质的量有关的参数可加性如质量m、容积V、内能U、焓H、熵S,比参数：,比容,比内能,比焓,比熵,单位：/kg/kmol具有强度参数的性质,Intensiveproperties,Extensiveproperties,强度参数与广延参数,速度,动能,高度,位能,内能,温度,应力,摩尔数,（强）,（强）,（强）,（强）,（广）,（广）,（广）,（广）,Velocity,KineticEnergy,Height,PotentialEnergy,Temperature,InternalEnergy,Stress,Mol,1-3基本状态参数,压力p、温度T、比容v（容易测量）,1、压力p(pressure)物理中压强，单位:Pa(Pascal),N/m2,常用单位Units：1kPa=103Pa1bar=105Pa1MPa=106Pa1atm=760mmHg=1.013105Pa1mmHg=133.3Pa1at=1kgf/cm2=9.80665104Pa,Basicstateproperties,压力p测量,示意图,绝对压力与环境压力的相对值相对压力,U-tubemanometer,BourdonTube,绝对压力与相对压力,示意图,当ppb,表压力pe,当p,有足够时间恢复新平衡准静态过程,Relaxationtime,准静态过程的工程应用,例：活塞式内燃机2000转/分曲柄2冲程/转，0.15米/冲程,活塞运动速度=200020.15/60=10m/s,压力波恢复平衡速度（声速）350m/s,破坏平衡所需时间（外部作用时间）,恢复平衡所需时间（驰豫时间）,一般的工程过程都可认为是准静态过程,具体工程问题具体分析。“突然”“缓慢”,准静态过程的容积变化功,p,p外,f,初始：pA=p外A+f,A,如果p外微小,可视为准静态过程,dl,以汽缸中mkg工质为系统,mkg工质发生容积变化对外界作的功,W=pAdl=pdV,1kg工质,w=pdv,dl很小，近似认为p不变,MovingBoundaryWork,准静态过程的容积变化功,p,p外,2,mkg工质：,W=pdV,1kg工质：,w=pdv,1,上式仅适用于准静态过程,示功图indicator(p-V)diagram,p,V,.,1,2,.,p,p外,2,1,mkg工质：,W=pdV,1kg工质：,w=pdv,W,准静态容积变化功的说明,p,V,.,1,2,.,2）p-V图上用面积表示,3）功的大小与路径有关，过程量Pathfunction,4）统一规定：dV0，膨胀对外作功（正）dV0，压缩外内作功（负）,5）适于准静态下的任何工质（一般为流体）,6）外力无限制，功的表达式只是系统内部参数,7）有无f，只影响系统功与外界功的大小差别,摩擦损失FrictionLoss的影响,若有f存在，就存在损失,p,p外,2,1,系统对外作功W，外界得到的功Wp2,Frequentlyencounteredirreversibilities,Throttler,常见的不可逆过程,混合过程,自由膨胀,真空,Frequentlyencounteredirreversibilities,Unrestrainedexpansion,Mixingprocess,引入可逆过程的意义,准静态过程是实际过程的理想化过程，但并非最优过程，可逆过程是最优过程。,可逆过程的功与热完全可用系统内工质的状态参数表达，可不考虑系统与外界的复杂关系，易分析。,实际过程不是可逆过程，但为了研究方便，先按理想情况（可逆过程）处理，用系统参数加以分析，然后考虑不可逆因素加以修正。,完全可逆、内可逆与外可逆,完全可逆可逆内部可逆，外部不可逆,常见,90,0,例：,内可逆外不可逆,Totallyreversible,Internallyreversible,外部可逆，内部不可逆,Externallyreversible,1-7功量Work,1、力学定义:力在力方向上的位移,2、热力学定义I,热力学定义II,Theproductofaforceandthedistancethroughwhichthisforceacts,功的热力学定义I,当热力系与外界发生能量传递时，如果对外界的唯一效果可归结为取起重物，此即为热力系对外作功。,Workisdonebyasystemifthesoleeffectonthesurroundingscouldbetheraisingofaweight.,功的热力学定义II,Workisanenergyinteractionbetweenasystemanditssurroundings,iftheenergycrossingtheboundaryofaclosedsystemisnotheat,itmustbework.,功是系统与外界相互作用的一种方式，在力的推动下，通过有序运动方式传递的能量。,功的表达式,功的一般表达式,热力学最常见的功容积变化功,其他准静态功：拉伸功，表面张力功，电功等,1-8热量与熵HeatandEntropy,Heatisdefinedastheformofenergythatistransferredbetweentwosystems(oritssurroundings)byvirtueofatemperaturedifference.,热量定义：热量是热力系与外界相互作用的另一种方式，在温度的推动下，以微观无序运动方式传递的能量。,热量与容积变化功,能量传递方式容积变化功传热量,性质过程量过程量,推动力压力p温度T,标志dV,dvdS,ds,公式,条件准静态或可逆可逆,熵（Entropy）的定义,reversible,比参数kJ/kg.K,ds:可逆过程qrev除以传热时的T所得的商,清华大学刘仙洲教授命名为“熵”,广延量kJ/K,熵的说明,1、熵是状态参数,3、熵的物理意义：熵体现了可逆过程传热的大小与方向,2、符号规